CN108942688A

CN108942688A - 一种镁合金的搅拌摩擦焊接头表面磨料气射流抛光方法

Info

Publication number: CN108942688A
Application number: CN201810784413.1A
Authority: CN
Inventors: 朱延松; 左敦稳; 卢文壮; 肖和平; 曹大伟; 赵洋洋; 武俊
Original assignee: CHANGZHOU JOEL PLASTIC Co Ltd; Nanjing University of Aeronautics and Astronautics; Anhui University of Science and Technology
Current assignee: CHANGZHOU JOEL PLASTIC Co Ltd; Nanjing University of Aeronautics and Astronautics; Anhui University of Science and Technology
Priority date: 2018-07-17
Filing date: 2018-07-17
Publication date: 2018-12-07

Abstract

一种镁合金的搅拌摩擦焊接头表面磨料气射流抛光方法，属于金属表面抛光技术领域，其特征是先将不同粒度级别的氨基模塑料颗粒放入到球磨机内均匀混合后制成抛光磨料，将此抛光磨料放入到喷砂机内，在一定喷射压力、喷射角度和喷射距离的条件下对镁合金搅拌摩擦焊接头表面进行喷射的一种表面抛光处理工艺方法。其中，抛光磨料由具有多面体棱角状和次棱角状结构的中软性氨基模塑料颗粒混合而成。通过此种磨料气射流抛光方法对AZ40M镁合金搅拌摩擦焊接头表面进行抛光加工后，焊接头表面无飞边毛刺、起皮等缺陷，表面趋于光滑平整，未发现明显表面划伤及磨料嵌入等损伤缺陷，抛光效果良好。使用后的氨基模塑料磨料可回收利用。

Description

一种镁合金的搅拌摩擦焊接头表面磨料气射流抛光方法

技术领域

本发明涉及一种材料的表面抛光方法，尤其是一种镁合金的表面抛光方法，具体地说是一种镁合金的搅拌摩擦焊接头表面磨料气射流抛光方法。

背景技术

镁合金作为最轻质商用金属结构材料，其具有良好的抗振、抗冲击和抗压缩等性能，在航空航天、国防军工、轨道交通以及汽车轮船等领域具有广阔的应用前景。但镁合金自身焊接性较差，焊接结构的完整性和可靠性较低等问则严重限制了其在上述领内的应用。因此，要实现镁合金在上述领域内的应用，急需解决镁合金结构件之间及镁合金与其它材料结构件之间的焊接可靠性问题。目前，镁合金板材的焊接主要采用铆接和熔化焊，采用传统熔化焊（如气体钨极氩弧焊、等离子弧焊接和激光焊等）对镁合金进行焊接，极易导致孔洞、热裂纹、氧化物和高残余应力等缺陷，焊接接头质量较差；而采用铆接的镁合金构件铆其接头强度较低，可靠性较差。为此，人们开始研究激光焊和电子束焊等高能量焊接技术对镁合金进行焊接。上述两种方法虽可提高镁合金焊接接头质量，并具有焊接速度快、变形小、焊缝纯度高等优点，但其主要存在的问题是：焊接过程易导致气孔、焊缝下塌等缺陷，且设备结构复杂、成本高，故不利于大规模使用。因此，如何实现高效、快速、可靠的镁合金构件焊接是镁合金在航空、航天等领域应用亟需解决的关键问题。

研究发现搅拌摩擦焊（Friction stir welding， FSW）作为一种纯机械的固相连接技术，与传统熔焊方法相比可更好地保持铝合金基体材料的力学性能，且焊接变形小、残余应力低、焊缝区无明显气孔和裂纹，并可显著降低铝合金焊接热影响区显微组织变化及残余应力和工件变形；同时，焊接前准备工作量少，焊接接头强度可达到母材的90%。因此，采用搅拌摩擦焊技术对镁合金进行焊接可实现镁合金构件高效、高质量、低成本焊接。

但将搅拌摩擦焊技术用于镁合金焊接，其存在的突出问题是：焊接头表面易产生沟槽、飞边、起皮、底部焊瘤等缺陷。因此，如何降低甚至消除镁合金搅拌摩擦焊接头表面缺陷，有效提高镁合金搅拌摩擦焊接头表面质量和疲劳性能，是搅拌摩擦焊技术在镁合金焊接中急需解决的关键技术之一。

磨料气射流抛光（Abrasive Air Jet finishing-Machining，AAJM）是利用磨料与空气或其它气体混合而成的高速射流，经特殊设计的喷嘴高速冲击射向工件，通过对表面材料微量去除达到提高表面质量和性能的新型抛光方法。与传统抛光方法相比，磨料气射流加工具有良好的适用性和通用性，不受工件结构复杂程度的限制，且其结构简单、成本低，加工后工件表面粗糙度均匀。故将磨料气射流加工应用于镁合金搅拌摩擦焊接头抛光，可有效降低甚至消除镁合金搅拌摩擦焊接头表面飞边毛刺、起皮等缺陷，提高焊接头表面质量。

磨料气射流加工虽具上述优点，但将其应用于镁合金搅拌摩擦焊接头表面抛光，其主要存在问题是：使用的抛光磨料大多为氧化铝、碳化硅等硬质磨料（莫氏硬度9.0~9.5），磨粒硬度均明显大于镁合金搅拌摩擦焊接头表面硬度（60~75HV），极易导致表面划伤等损伤缺陷。而采用多面体棱角结构的氨基模塑料磨料对镁合金搅拌摩擦焊接头表面进行气射流抛光，由于磨料硬度（莫氏硬度4.0~4.5）仅为氧化铝、碳化硅等硬质磨料的1/2，故可在减少甚至避免表面划伤等损伤缺陷的条件下进行镁合金搅拌摩擦焊接头表面进行磨料气射流抛光加工，从而提高镁合金搅拌摩擦焊接头表面质量和性能。同时，AAJM方法对工件结构和尺寸无要求，是一个快速便捷、灵活方便、经济高效、无毒、环保、可控性强的工艺过程。但目前采用氨基模塑料磨料对镁合金搅拌摩擦焊接头进行气射流抛光的方法国内外少有提及。

发明内容

本发明的目的是针对现有的镁合金搅拌摩擦焊接接头表面处理难度大，易在抛光加工过程中对基材产生损伤的问题，发明一种利用氨基模塑料磨料作为磨料的镁合金的搅拌摩擦焊接头表面磨料气射流抛光方法。

本发明的技术方案是：

一种镁合金的搅拌摩擦焊接头表面磨料气射流抛光方法，其特征是将粒径级别分别为30~40目，40~50目和50~60目的3种氨基模塑料颗粒按一定比例放入到球磨机内搅拌8~15分钟，使颗粒充分均匀混合，得到氨基模塑料磨料；将所得氨基模塑料磨料颗粒放入喷砂机内，使磨料与空气在喷嘴内混合形成高速磨料射流，在一定喷射压力、喷射角度和喷射距离的条件下对镁合金搅拌摩擦焊接头表面进行喷射1~5分钟。

所述的氨基模塑料磨料莫氏硬度为3.5~4.5，磨料颗粒为多面体棱角状和次棱角状结构，磨料堆积密度为0.65~0.85g/cm³。

所述的喷射压力为0.1~0.5MPa，喷射角为70º~90º，喷射距离为10~50cm。

所述的氨基模塑料磨料中不同粒径颗粒按质量百分比计为：30~40目颗粒为45%~50%，40~50目颗粒为45%~50%，50~60目颗粒≤10%。

所述的磨料气射流加工用喷嘴为内孔直径为Ø3.0~Ø12.0mm的碳化硼喷嘴，喷嘴外圆直径为Ø15.0~Ø20.0mm，长度为35~82mm。

所述的镁合金搅拌摩擦焊接头试样采用3点支撑法进行定位，按等边三角形布置，试样底面到工作台的距离为30~200mm。

所述的镁合金为AZ40M镁合金，其化学成分按质量百分比记为：3.0~4.0%Al，0.2~0.8%Zn, 0.15-0.5%Mn，Si≤0.1%，Cu≤0.05%，Fe≤0.05%，Ni≤0.05%，Be≤0.01%，其余为Mg；焊接接头表面微观硬度为60~75HV。所述方法还可用于其它镁合金搅拌摩擦焊接头表面毛刺的去除。

本发明的基理是：

利用氨基模塑料磨料与空气混合产成的高速喷射流，经喷嘴高速射向镁合金搅拌摩擦焊接头表面，在不产生表面损伤的条件下对镁合金搅拌摩擦焊接头表面进行磨料气射流加工，去除表面飞边毛刺、起皮等，改善镁合金搅拌摩擦焊接头表面性能，从而达到表面抛光的目的。

本发明的有益效果：

1、本发明可在镁合金搅拌摩擦焊接头表面不产生损伤的条件下快速去除表面飞边毛刺、起皮等，是一个工艺简单，经济高效、可控性强的铜合金表面抛光工艺。

2、本发明可提高镁合金搅拌摩擦焊接头表面质量，改善铜合金结构件表面疲劳等其它特殊性能。

3、本发明采用了氨基模塑料颗粒作为抛光磨料，在使用过程中磨料不产生毒性，环保，有较强的抗磨擦性能和抗静电性能。

4、采用本发明方法对镁合金搅拌摩擦焊接头表面进行抛光加工，可使焊接头表面粗糙度达到R_a1.0~2.5µm。

5、本发明所述的抛光方法不仅适用于AZ40M镁合金搅拌摩擦焊接头表面抛光，也可用于其它镁合金搅拌焊接头表面抛光。

附图说明

图1为本发明实例1经粉碎后的30~40目氨基模塑料磨料微观形貌图。

图2为本发明实例1经抛光后的镁合金搅拌摩擦焊接头表面形貌图；图2（a）未抛光的镁合金搅拌摩擦焊接头表面，图2（b）抛光后的镁合金搅拌摩擦焊接头表面(b)。

图3为本发明实例2经抛光后的镁合金搅拌摩擦焊接头表面形貌图；图3（a）未抛光的镁合金搅拌摩擦焊接头表面，图3（b）抛光后的镁合金搅拌摩擦焊接头表面。

图4为本发明实例2经抛光后的镁合金搅拌摩擦焊接头表面粗糙度轮廓曲线及粗糙度R_a值。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

一种镁合金的搅拌摩擦焊接头表面磨料气射流抛光方法，所使用的部分设备有球磨机、喷砂机，碳化硼喷嘴等设备均为市场所售的常规产品。镁合金材料为AZ40M镁合金，其化学成分按质量百分比记为：3.0~4.0%Al，0.2~0.8%Zn, 0.15-0.5%Mn，Si≤0.1%，Cu≤0.05%，Fe≤0.05%，Ni≤0.05%，Be≤0.01%，其余为Mg。抛光磨粒为氨基模塑料颗粒，其主要化学成分为C和O。具体步骤如下：

1、制备氨基模塑料磨料：

将粒径级别分别为30~40目，40~50目和50~60目的3种氨基模塑料颗粒按一定比例放入到球磨机内搅拌8~15分钟，使颗粒充分均匀混合，得到氨基模塑料磨料；其中，3种不同粒径颗粒按质量百分比计为：30~40目颗粒为45%~50%，40~50目颗粒为45%~50%，50~60目颗粒≤10%。

2、磨料气射流抛光加工

将氨基模塑料磨料放入到喷砂机内，将镁合金搅拌摩擦焊接头试样采用3点支撑（按等边三角形布置）居中平放于喷砂机工作台上方，试样底面到工作台的距离为30~200mm。采用内孔径Ø3.0~Ø12.0mm的碳化硼或碳化硅喷嘴，在压力为0.1~0.5MPa，喷射角为70º~90º，喷射距离为10~50cm的条件下对镁合金搅拌摩擦焊接头表面进行喷射1~5分钟，镁合金搅拌摩擦焊接头的表面粗糙度在Ra1.0-2.5μm。

实例1。

步骤1、磨料制备

将粒径级别分别为30~40目，40~50目和50~60目的3种氨基模塑料磨料颗粒按一定比例放入到球磨机内搅拌10分钟，使颗粒充分混合均匀后得到混合磨料。具体比例为：30~40目颗粒的质量百分比为50%，40~50目颗粒的质量百分比为50%。

步骤2、磨料气射流抛光加工

将氨基模塑料磨料放入到喷砂机内，将将镁合金搅拌摩擦焊接头试样居中平放于喷砂机工作台上方，采用3点支撑（按等边三角形布置）居中平放于喷砂机工作台上方，试样底面到工作台的距离为100mm。采用外圆直径为Ø20.0mm，内孔直径为Ø8.0mm，长度为35mm的碳化硼喷嘴在喷射压力为0.15MPa，喷射角为80º，喷射距离为15cm的条件下对镁合金搅拌摩擦焊接头试样表面进行抛光4分钟。

取出试样进行检测。经苏州英仕精密机械有限公司ISM-PM200SB型电子显微镜对氨基模塑料磨料结构进行检测后得出氨基模塑料磨料颗粒为多面体棱角状和次棱角状结构（图1）。经电子显微镜检测，焊接头抛光表面无飞边毛刺，起皮等缺陷，且表面未发现明显划痕及磨料嵌入等损伤现象（图2）。镁合金搅拌摩擦焊接头的表面粗糙度在Ra1.0μm。

实例2。

步骤1、磨料制备

将粒径级别分别为30~40目，40~50目和50~60目的3种氨基模塑料磨料颗粒按一定比例放入到球磨机内搅拌15分钟，使颗粒充分混合均匀后得到混合磨料。具体比例为：30~40目颗粒的质量百分比为45%，40~50目颗粒为45%，50~60目颗粒为10%。

步骤2、磨料气射流抛光加工

将氨基模塑料磨料放入到喷砂机内，将镁合金搅拌摩擦焊接头试样居中平放于喷砂机工作台上方，采用3点支撑（按等边三角形布置）居中平放于喷砂机工作台上方，试样底面到工作台的距离为30。采用外圆直径为Ø15.0mm，内孔直径为Ø3.0mm，长度为82mm的碳化硅喷嘴在喷射压力为0.1MPa，喷射角为70º，喷射距离为10cm的条件下对镁合金搅拌摩擦焊接头试样表面进行抛光5分钟。

取出试样进行检测。经显微镜检测，镁合金搅拌摩擦焊接头表面沟槽深度明显降低，表面光滑平整，无飞边毛刺、起皮等缺陷，且抛光表面未发现明显划痕及磨料嵌入等损伤现象（图3）。经北京科旭仪器有限公司SRT-220型接触式表面形貌仪对铜合金抛光表面粗糙度进行检测得出铜合金试样经抛光后其表面粗糙度为R_a=1.19μm（图4）。

实例3。

步骤1、磨料制备

将粒径级别分别为30~40目，40~50目和50~60目的3种氨基模塑料磨料颗粒按一定比例放入到球磨机内搅拌8分钟，使颗粒充分混合均匀后得到混合磨料。具体比例为：30~40目颗粒的质量百分比为50%，40~50目颗粒为45%，50~60目颗粒为5%。

步骤2、磨料气射流抛光加工

将氨基模塑料磨料放入到喷砂机内，将铝合金试样居中平放于喷砂机工作台上方，采用3点支撑（按等边三角形布置）居中平放于喷砂机工作台上方，试样底面到工作台的距离为200mm。采用外圆直径为Ø18.0mm，内孔直径为Ø12.0mm，长度为50mm的碳化硼喷嘴在喷射压力为0.5MPa，喷射角为90º，喷射距离为50cm的条件下对铜合金试样表面抛光1分钟。

取出试样进行检测。经显微镜检测镁合金搅拌摩擦焊接头表面飞边毛刺明显去除，抛光表面也未发现明显划痕及磨料嵌入等损伤现象，形貌图与图2类似。镁合金搅拌摩擦焊接头的表面粗糙度在Ra2.5μm。

本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。

Claims

1.一种镁合金的搅拌摩擦焊接头表面磨料气射流抛光方法，其特征是将粒径级别分别为30~40目，40~50目和50~60目的3种氨基模塑料颗粒按一定比例放入到球磨机内搅拌8~15分钟，使颗粒充分均匀混合，得到氨基模塑料磨料；将所得氨基模塑料磨料颗粒放入喷砂机内，使磨料与空气在喷嘴内混合形成高速磨料射流，在一定喷射压力、喷射角度和喷射距离的条件下对镁合金搅拌摩擦焊接头表面进行喷射1~5分钟。

2.根据权利要求1所述的一种镁合金的搅拌摩擦焊接头表面磨料气射流抛光方法，其特征是所述的氨基模塑料磨料莫氏硬度为3.5~4.5，磨料颗粒为多面体棱角状和次棱角状结构，磨料堆积密度为0.65~0.85g/cm³。

3.根据权利要求1所述的一种镁合金的搅拌摩擦焊接头表面磨料气射流抛光方法，其特征是所述的喷射压力为0.1~0.5MPa，喷射角为70º~90º，喷射距离为10~50cm。

4.根据权利要求1所述的一种镁合金的搅拌摩擦焊接头表面磨料气射流抛光方法，其特征是所述的氨基模塑料磨料中不同粒径颗粒按质量百分比计为：30~40目颗粒为45%~50%，40~50目颗粒为45%~50%，50~60目颗粒≤10%。

5.根据权利要求1所述的一种镁合金的搅拌摩擦焊接头表面磨料气射流抛光方法，其特征是所述的磨料气射流加工用喷嘴为内孔直径为Ø3.0~Ø12.0mm的碳化硼喷嘴，喷嘴外圆直径为Ø15.0~Ø20.0mm，长度为35~82mm。

6.根据权利要求1所述的一种镁合金的搅拌摩擦焊接头表面磨料气射流抛光方法，其特征是所述的镁合金搅拌摩擦焊接头试样采用3点支撑法进行定位，按等边三角形布置，试样底面到工作台的距离为30~200mm。

7.根据权利要求1所述的一种镁合金的搅拌摩擦焊接头表面磨料气射流抛光方法，其特征是所述的镁合金为AZ40M镁合金，其化学成分按质量百分比记为：3.0~4.0%Al，0.2~0.8%Zn, 0.15-0.5%Mn，Si≤0.1%，Cu≤0.05%，Fe≤0.05%，Ni≤0.05%，Be≤0.01%，其余为Mg；焊接接头表面微观硬度为60~75HV。

8.一种镁合金的搅拌摩擦焊接头表面磨料气射流抛光方法，其特征是它被用于除权利要求7外的镁合金搅拌摩擦焊接头表面毛刺的去除。